元素掺杂对钛基非晶合金形成能力及性能的影响

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由于钛合金在航空航天领域及生物医用材料方面的广泛应用,以及非晶合金相比传统合金所表现出来的优异性能,使我们对于钛基非晶合金的性能以及应用有着非常高的期待,因此研究提高钛基非晶合金非晶形成能力、力学性能以及耐腐蚀性能一直是非晶领域乃至材料领域的热点。但是钛基非晶合金的非晶形成能力对元素组成十分敏感,目前仍未找到一种可以显著提高其非晶形成能力的成分设计,因此该系列非晶合金自被开发以来也一直未得到大范围的应用。本文以TiCuNi体系非晶合金为研究对象,系统的研究了TiCuNi、TiCuNi Be、TiCuNi Gd、TiCuNi Nb、TiCuNi Zr非晶合金的成分设计、非晶棒材以及非晶带材制取方法、非晶形成能力,热稳定性,力学性能及耐腐蚀性能等,并对于试验设备、检测原理及使用方法做了简单的描述。本论文主要包含以下方面:根据已经报道过的Ti50Cu42Ni8成分构成,参考井上三原则对非晶合金成分进行设计,设计五组试验用非晶合金成分分别为Ti50Cu42Ni8、(Ti50Cu42Ni8)96Be4、(Ti50Cu42Ni8)96Gd4、(Ti50Cu42Ni8)96Nb4、(Ti50Cu42Ni8)96Zr4,采用电弧炉熔炼、铜模吸铸和单辊甩带法分别制取TiCuNi体系五组非晶合金的棒材及薄带。通过X射线衍射仪确定其非晶结构,五组合金都可以制备成非晶薄带,但TiCuNi Be的非晶形成能力最强,生成了直径2mm的非晶合金棒材。通过DSC综合分析仪测定五组合金带材的热稳定性、在加热速率为5-40K/min时,五组合金都生成了两种非晶相,Tg、Tx1、Tx2、Tp1、Tp2以及ΔTx、γ值都随着加热速率的升高而升高。几种常用的非晶形成能力判定参数中,约化玻璃转变温度Trl(Tg/Tm)较ΔTx、γ值更适用于判定TiCuNi体系的非晶形成能力,另外,通过Kissinger方程计算了五组合金在Tp处的晶化激活能。通过压缩试验机测定TiCuNi Be的非晶棒材的力学性能,其强度较高,远高于钛合金,可以达到1900MPa,但是塑性很差。通过电化学工作站对五组非晶带材的耐腐蚀性能进行检测,酸性环境中耐腐蚀性能最好的为TiCuNi非晶合金,中性环境中耐腐蚀性能最好的为TiCuNi Zr非晶合金,碱性环境中耐腐蚀性能最好的为TiCuNi Be非晶合金,TiCuNi Gd非晶合金的耐腐蚀性能最差,另外,五组非晶合金的耐腐蚀性能都要远高于钛合金。从现有的研究结论及本文的整体结果来看,小原子元素Be对提高TiCuNi体系非晶合金非晶形成能力最为明显,稀土元素Gd虽然对提高非晶形成能力效果不明显,但是其热稳定性、晶化激活能,耐腐蚀性能等都与其他几组合金有较大区别,可以做进一步的研究,由于至今还没有关于向TiCuNi系非晶合金添加稀土元素Gd的研究结论得出,因此本研究为该合金体系未来的研究增加了更多可能性。
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